校准用棉花标准样品的制备与均匀性检验

张保国 冉翔涛 周 硕 邵佳蕊 杨仁杰

（1.中国纤维质量监测中心，北京，100007；2.德州市纤维检验所，山东德州，253000）

棉花纤维的马克隆值、长度和强度是反映棉花内在质量的重要指标，与纺织成品质量、成纱工艺有着密不可分的关系，是棉花贸易中重要的结价依据。我国目前棉花检验中全面使用大容量纤维测试仪（High Volume Instrument，HVI）进行检验，为满足检测结果的溯源性，保证全国棉花实验室测试水平的一致性、准确性及再现性，降低试验结果偏移及误差，在检测样品过程中均使用棉花检验校准用标准样品（HVI 标准样品）对设备进行校准和期间核查。

标准样品总体使用量大，是各实验室进行检验的前提和基础。目前HVI 标准样品还依赖进口，国产的标样正在研制中。研制国产标样将降低购买成本和时间成本，为构建我国棉花检验技术体系提供支撑，促进棉花产业高质量发展。本研究针对HVI 标准样品中的马克隆值标准样品及长度/强度标准样品，根据我国原棉质量特点，优化原料选取，合理设计专门加工工艺，并严格按照GB/T 15000.3—2008《标准样品工作导则（3）标准样品 定值的一般原则和统计方法》的要求开展均匀性测试。

1 标准样品的研制步骤

标准样品的研制过程与控制实施流程图见图1［1］。根据研制步骤，标准样品制备完成后，首先进行均匀性评估，在均匀性评估通过后，进行稳定性评估和定值测试及不确定度评估。以下主要介绍棉花检验校准用马克隆值标准样品、长度/强度标准样品的制作和均匀性评估。

图1 标准样品研制过程与控制实施流程图

2 标准样品的制备

标准样品的值是由特性值及其特性值的不确定度组成。本研究制备的马克隆值标准样品有3种不同等级：A 级（3.7~4.2）、B1 级（3.5~3.6）、B2 级（4.3~4.9），包含马克隆值一个物理指标，每个标准样品质量约为250 g，其扩展不确定度范围为0.10。

所制备的长度/强度标准样品有3 种不同等级：25 mm级（25.9 mm以下）、26 mm级（26.0 mm~26.9 mm）和28 mm 级（28.0 mm~28.9 mm），包含马克隆值、上半部平均长度（单位mm）、长度整齐度、断裂比强度（单位cN/tex）4 个物理指标，每个标准样品质量约为1 000 g。各指标的扩展不确定度（k=2）满足以下要求：马克隆值指标不确定度范围为0.10；上半部平均长度指标不确定度范围为0.41 mm；长度整齐度指标不确定度范围为1.20；断裂比强度指标不确定度范围为1.50 cN/tex。

2.1 原料选取

标准样品关键属性是其规定的标准值具有足够的均匀性和稳定性［2］，需要选取均匀性较好的原料进行制备。进口的美国HVI 标准样品使用采购的成包皮棉作为标样原料，而我国棉花具有品种众多、小规模种植、混级加工等特点，相关测试数据表明我国皮棉棉包包内物理指标不确定度较大，均匀性较差［3］，从成品棉包中直接选取数值符合要求的标样原料难度较大，因此本研究采用单一品种棉花的手摘籽棉作为标样原料。

2.2 籽棉采集

按照所制备的马克隆值标准样品和长度/强度标准样品的物理指标在6 个不同地块种植籽棉，并满足以下要求：一是地块的种植品种单一，种子纯度高；二是地块土地平整且土壤、浇灌条件一致，可单次采摘籽棉3 t 以上。籽棉原料单一，生长条件相同，且有足够的产量，可最大程度提高产出棉花的均匀性和一致性。

2.3 原料加工前处理

严格对标样原料籽棉进行质量把控：籽棉的回潮率过高，棉纤维与所附杂物之间的摩擦力以及纤维与加工机械面之间的摩擦力都会增大，会造成棉纤维清杂效率降低，同时纤维刚性降低，纤维之间会发生更多缠绕、扭曲现象，致使皮棉中产生较多的棉结、棉索，降低棉花质量。籽棉的回潮率过低，易造成棉纤维断裂、短纤维含量高、长度整齐度下降、长度均匀度降低。加工经验和相关试验数据表明，籽棉的回潮率控制在6.95%~8.70%时，锯齿轧花机运转最正常，纤维损伤低，皮棉产量高、品质好［4-6］。

为控制籽棉的回潮率，将籽棉在加工车间地面上层层平铺，形成一个厚薄均匀的长方形籽棉大垛。由专业的技术人员指导，按照同一方向不断翻动籽棉，在常温环境下放置12 h 以上，使其达到吸湿放湿平衡，调控回潮率在6.95%~8.70%的范围内。进行3 遍籽棉混匀［7］，仔细挑拣去除其中的粗大杂质和异性纤维，使籽棉达到最佳的加工状态。

2.4 加工工艺优化

将籽棉加工成符合要求的标样皮棉原料，除了从原料源头进行质量把控，还需要进行加工工艺优化，改进的加工工艺流程图见图2。

图2 加工工艺流程图

加工工艺增加了一遍籽棉清理和一遍皮棉清理。增加的籽棉清理工序，可以提高轧花的质量，减少落棉损失，改变籽棉组成成分比例，提高籽棉群体成熟度系数，这是籽棉加工质量保证的基础；增加的皮棉清理工序能更有效地清除轧花后棉纤维中的杂质与疵点，改善其外观形态。同时，调整加工速度，相比于传统加工方式，本项目标样原料籽棉在轧花时减少喂花量、降低喂花速度，其喂花量和喂花速度大约是正常值的1/4，从而提高轧花的精细程度。此外，控制加工程序标准化，保证每种等级的标样原料在同一种加工方式下完成，加工前后需及时清理所有设备，以确保单一品种标样原料加工独立性。通过这一系列措施，可提高棉纤维的洁净度、均匀度，从而提升标样原料的均匀性。

通过以上工序，籽棉制作为成包皮棉，皮棉经过称重，分装为给定质量的最小单元，即每个马克隆值标准样品250 g，每个长度/强度标准样品1 000 g，这样便完成了标准样品的制备。

3 标准样品的均匀性评估

3.1 测试条件要求

在制备好的标准样品中，抽取样品用于均匀性检验、稳定性检验、测试定值。根据GB/T 15000.3—2008，均匀性检验中的抽样数量为10个到30 个。选取各等级测试样品数量：马克隆值标准样品30 个，长度/强度标准样品25 个。将选取的测试样品编号后，进行测试。

均匀性评估中的测量应在重复性条件下进行。在均匀性检验具体操作中，选择一名检验人员，操作同一台HVI 仪器，测试环境为温度（20±2）℃，相对湿度（65±3）%。HVI 仪器在测试前使用校准棉样进行校准，使用验证棉样进行校准检查，全过程执行《HVI 大容量棉花纤维测试仪校准规范》（2014 版）。校准棉样、验证棉样、试验样品测试前均需放置在透气性好的专用样品筐中，在规定温湿度条件下平衡48 h。平衡前样品要预调湿，保证测试前样品回潮率达到6.75%~8.25%。

3.2 测试顺序及次数

马克隆值样品测试时，由HVI 马克隆值模块测试得出数据；长度/强度样品测试时，由HVI 长强模块两把梳子测试的平均值作为测试数据。马克隆值测试样品和长度/强度测试样品均各测试3 轮，每轮测试1 次，每轮测试的顺序应随机调整。

3.3 测试数据分析

根据GB/T 15000.3—2008 的均匀性检验要求，结合项目实际情况，采用单因素方差分析法，通过判断组间方差和组内方差确定各组测量值之间有无系统性差异，若两者的比值小于统计检验的临界值，则可以认为样品均匀性良好。

通过计算出的检验值F，查表找出组间自由度v1、组内自由度v2、显著性水平α=0.05 对应的显 著 性 临界 值F(v1，v2，0.05)。比 较F与F(v1，v2，0.05)，若F小 于F(v1，v2，0.05)，说 明 在95%的 置 信 区 间 内，样 品单元无明显差异，均匀性良好［8］。

3.4 测试结果分析

按照以上方法，对3 种不同等级的马克隆值测试样品进行分析，均匀性评估的方差分析表见表1~3。查表可得临界值F（30，60，0.05）=1.65，以上3种马克隆值测试样品的F值均小于临界值F，可认为30 个样品马克隆值无明显差异，在95%置信概率下样品间一致均匀，均匀性检验通过。

表1 A 级马克隆值测试样品均匀性评估

表2 B1 级马克隆值测试样品均匀性评估

表3 B2 级马克隆值测试样品均匀性评估

对3 种不同等级的长度/强度值测试样品进行分析，均匀性研究的方差分析见表4~表6。例如表4，查表可得临界值F（24，60，0.05）=1.70，各参数F值均小于临界值F，可认为在95%置信概率下样品一致均匀，均匀性检验通过。同样，26 mm级、28 mm 级长度/强度值测试样品的均匀性也通过检验。

表4 25 mm 级长度/强度值测试样品均匀性评估

表5 26 mm 级长度/强度值测试样品均匀性评估

表6 28 mm 级长度/强度值测试样品均匀性评估

3.5 均匀性引入的不确定度

标准样品的不确定度由均匀性标准不确定度ubb、稳定性标准不确定度us、定值过程引入的标准不确定度uchar根据不确定度传播率合成。

测试过程中，测试值的波动性引入了均匀性标准不确定度ubb，这是表征标准样品“有多均匀”的量化指标。根据GB/T 15000.3—2008，均匀性标准不确定度ubb有两种计算方法，分别见式（1）和式（2），式（1）主要用于均匀性检验测试方法重复性良好时，式（2）主要用于均匀性检验测试方法重复性欠佳时。由于GB/T 15000.3—2008 没有明确说明如何判断测试方法重复性是否欠佳，实际运用中，常常以F值的大小作为判断标准，一般情况下，当F≥1 时，均匀性检验测试方法重复性良好；当F≤1 时，意味着样品间的差异无法通过检测方法分辨，此时判断测试方法的重复性欠佳。

式中：s12为组间方差；s22为组内方差；n为测试次数；sbb为组间标准偏差；vs22为s22的自由度。

利用以上公式，算出3 个马克隆值测试样品的均匀性不确定度分量ubb、3 个长度/强度测试样品的4 个物理指标对应的均匀性不确定度分量ubb，根据后续稳定性评估、定值测试得出的不确定度分量，合成得到测试样品扩展不确定度U（k=2），见表7 和表8。结果可见，测试样品的扩展不确定度均在给定的范围以内。

表7 马克隆值测试样品均匀性不确定度分量

表8 长度/强度测试样品均匀性不确定度分量

3.6 进口标样与国产标样均匀性比对

采用相同的方案对研制的标准样品与相同等级的进口标准样品进行比对测试，结果见表9和表10。可以看出，所研制的国产标样均匀性和进口标样相当，部分指标优于进口标样。

表9 国产标样与进口标样长度/强度值标准偏差比对

表10 国产标样与进口标样马克隆值标准偏差比对

4 结论

（1）采用单一手摘籽棉作为标样原料，改进加工工艺流程，可从源头控制标样的均匀性。

（2）根据GB/T 15000.3—2008 规定，采用单因素方差分析法，对A 级、B1 级、B2 级3 种马克隆值等级的标准样品及25 mm 级、26 mm 级、28 mm级的3 种长度/强度等级的标准样品的均匀性检验进行评估，数据表明：标准样品各参数F值均小于临界值F，可认为在95%置信概率下样品一致均匀，均匀性评估通过。通过计算得出测试样品的均匀性不确定度分量，与稳定性评估、定值测试引入的不确定度分量合成得到扩展不确定度，结果表明：测试样品的扩展不确定度在给定的范围以内，标准样品满足要求。

（3）与进口标样的测试数据比对表明，国产标样的均匀性与之相当，部分指标优于进口标样。